Téma

5. června 2024

Ekologická hnojiva s postupným uvolňováním živin vyvíjí vědci z FCH VUT

Soňa Kontárová při práci v Laboratoři bioplastů na Fakultě chemické VUT. | Autor: Jan Prokopius
Význam hnojiv pro lidskou populaci je nezpochybnitelný. Bez uměle vyráběných hnojiv bychom nebyli schopni vyprodukovat více než polovinu současných světových potravin. Vzhledem k rychlému růstu počtu obyvatelstva bude třeba větší produkce plodin, čímž se zvýší i spotřeba hnojiv. To společně s klimatickými změnami a ztrátami úrodné půdy staví zemědělství i celou společnost do složité situace. S možným řešením v podobě tzv. slow-release hnojiv (hnojiva s pomalým uvolňováním živin) přichází projekt BioAgro. Na projektu spolupracuje vědkyně Soňa Kontárová z Centra materiálového výzkumu Fakulty chemické VUT, která nám jej přiblížila.

Hnojiva: celosvětově důležité téma

Poskytovatelem projektu BioAgro (Biopolymery pro agrochemické aplikace) je Technologická agentura ČR. Zároveň je součástí programu „Národní centrum kompetence polymerních materiálů a technologií pro 21. století“. Jeho cílem je vytvořit ekologické hnojivo s postupným uvolňováním živin v půdě – tzv. slow-release hnojivo.

Ukázka vyrobených hnojiv s postupným uvolňováním. Konkrétně se jedná o hnojivo LAD (dusičnan amonný s dolomitem) obalené vrstvou poly-3-hydroxybutyrátu pomocí technologie ve fluidním loži. | Autor: Archiv Laboratoře bioplastů

Hnojiva poskytují rostlinám základní makroživiny jako dusík, fosfor a draslík, kde je zejména dusík pro růst rostlin nezbytný a rozhodující. Problémem je však horší vstřebávání hnojiv plodinami a nekontrolovaný únik živin (hlavně dusíkatých látek) do půdy, vody a vzduchu, což způsobuje mnoho ekologických nesnází. Nadměrné užívání hnojiv vede k překyselení půd, kontaminaci vodních zdrojů a atmosféry. To negativně ovlivňuje životní prostředí, biodiverzitu, klima, zdraví zvířat i lidí.

Soňa Kontárová s aparaturou pro povlakování hnojiv – rotační buben. | Autor: Archiv Laboratoře bioplastů
Nastíněné problémy lze částečně redukovat střídmější konzumací masa, nízko-bílkovinným krmením zvířat, lepším agronomickým hospodařením (dělené aplikace, vyvážené používání hnojiv, přesné zemědělství, optimalizované střídání plodin) a použitím slow-release hnojiv. Tato slow-release hnojiva uvolňují živiny postupně, a dochází tak k menším ztrátám živin vlivem volatilizace (ztráty dusíku prostřednictvím výparů amoniaku) či vyplavením. Maximalizují využití živin rostlinami a umožňují jejich použití v menších dávkách. Vědci mohou řídit rychlost uvolňování živin i dle potřeb konkrétní plodiny. Tímto efektivnějším způsobem dávkování lze snížit spotřebu hnojiva i uhlíkovou stopu pěstování.

Doktorka Soňa Kontárová plánuje jednotlivé experimenty, které spolu s kolegou Jiřím Krhutem a dalšími členy týmu následně realizuje. Dále vyhodnocuje a zpracovává data a pomáhá s projektovou dokumentací a administrativou. „Spolupráce na projektu je pro mne velmi přínosná z pohledu nových zkušeností. Jako materiálový chemik jsem neměla tolik zkušeností s hnojivy a díky spolupráci s Mendlovou univerzitou a postupným studiem jsme se dozvěděli spoustu zajímavých informací. Sama jsem si do detailu neuvědomovala, jak jsou hnojiva důležitá v celosvětovém měřítku a kolik miliard lidí může díky nim na Zemi vůbec žít. Bohužel je to vyváženo ekologickými a dalšími problémy. Je to velmi zajímavé téma, které mě nutí k širšímu mezioborovému pohledu,“ hodnotí.

Biopolymerní materiál namísto polymerního

Projekt je zaměřen na vývoj a aplikaci biopolymerního materiálu, kterým se obalí granule dusíkatého hnojiva tak, aby se hnojivo v půdě z takovýchto obalených granulí uvolňovalo postupně. Tento materiál je na bázi přírodních polymerů – polyhydroxyalkanoátů (PHA), které v mnoha mikroorganismech slouží jako zásobní zdroj energie. Typickým zástupcem PHA je poly-3-hydroxybutyrát, který je zcela rozložitelný v půdě, sladké i slané vodě.

Granule běžně dostupného dusíkatého hnojiva se obalí tenkým povlakem PHA, který v půdě netvoří mikroplasty, ani se v ní nehromadí, takže nedochází k jejímu znečištění. Tento biopolymerní materiál, povlak na bázi PHA, je v souladu s novou legislativou EU, je akceptovatelný pro aplikaci do půdy, a nahradí tak polymerní povlaky, které v půdě rozložitelné nejsou. Navíc by měl být navržen tak, aby ho šlo v budoucnu vyrábět převážně z obnovitelných (případně i odpadních) surovin.

Nyní již probíhají testy našich slow-release hnojiv na Mendlově univerzitě (pod vedením prof. Škarpy) s kukuřicí setou. | Autor: Archiv Laboratoře bioplastů

Po rešerši vědeckých prací se výzkumníci snažili přijít na optimální technologický postup pro přípravu těchto slow-release hnojiv. Ten zahrnoval např. nalezení vhodného rozpouštědla a v něm rozpuštění přírodního polymeru poly-3-hydroxybutyrátu za vyšší teploty i tlaku. Tak vznikl roztok, který bylo nutné nanést na granule hnojiva. Toho lze laboratorně dosáhnout i tzv. dip coatingem (ponořením do roztoku polymeru).


Technologický postup lze uplatnit i v průmyslové výrobě. Pro simulaci průmyslové výroby byl využit povlakovací rotační buben, ve kterém probíhá rychlejší a pro průmysl použitelné povlakování granulí hnojiva, podobně jako např. u dražování čokoládou. Úspěšně bylo vyzkoušeno i povlakování ve fluidním loži.

Významný aplikační potenciál

Projekt má vzhledem k aktuálnosti tématu velký aplikační potenciál. Populace rapidně roste a bude třeba zajistit její potravinové nároky, avšak s důrazem na ekologii. Smysluplnost výzkumu je pro Soňu Kontárovou největší motivací. „Velkým hnacím motorem je také skvělý tým z Laboratoře bioplastů, kterou vede Radek Přikryl. Tento tým plný inspirativních lidí pracuje nejen na projektu slow-release hnojiv v BioAgro, ale i na mnoha dalších zajímavých projektech souvisejících s praktickým uplatněním polyhydroxyalkanoátů a dalších bioplastů, které lze použít například v tkáňovém inženýrství či kosmetice. Hledáme rovněž nové metody mechanické i chemické recyklace konvenčních plastů i bioplastů. Fandíme cirkulární ekonomice i udržitelnému rozvoji a usilujeme o svět, který bude s plasty i bioplasty nakládat ekologicky a ekonomicky. V týmu navíc panuje skvělá přátelská atmosféra, a to je také jeden z hlavních důvodů, proč se do práce těšit,“ říká s úsměvem.

Tým Laboratoře bioplastů. Zprava doleva Alžběta Kecíková, Silvestr Figalla, Soňa Kontárová, Stěpán Krobot, vedoucí laboratoře a hlavní řešitel projektu Radek Přikryl, Veronika Melčová, Vojtěch Jašek a Přemysl Menčík. | Autor: Jan Prokopius

Do projektu je zapojena řada vědců, několik výzkumných institucí a průmyslových partnerů. FCH VUT spolupracuje s týmy z Vysoké školy chemicko-technologické v Praze, Mendlovou univerzitou v Brně, Centrem organické chemie, Svazem chemického průmyslu, Plastikářským klastrem a Výskumným ústavem chemicko-technologickým v Šaľe. Mezi průmyslové partnery patří Ethanol Energy, SYNPO a probíhá komunikace s Lovochemií. „Bez těchto skvělých lidí by nebylo možné pracovat a posouvat projekt dál. Chtěla bych zmínit hlavně Radka Přikryla, Silvestra Figallu, Jirku Krhuta, Štěpána Krobota, Vojtu Jaška, Alžbětu Kecíkovou, Elišku Kameníkovou, Přemka Menčíka a Veroniku Melčovou. Projekt BioAgro navazuje také na dřívější projekt MPO Trio a bakalářskou práci Magdy Bobkové,“ dodává doktorka Kontárová.

Zdroj: Fakulta chemická VUT
Jiří Krhut a Soňa Kontárová po úspěšné obhajobě jeho diplomové práce na téma slow-release hnojiv (Jiří Krhut získal ocenění za nejlepší diplomovou práci). | Autor: Archiv Laboratoře bioplastů
Silvestr Figalla s aparaturou pro povlakování hnojiv – rotační buben. | Autor: Archiv Laboratoře bioplastů
Vstoupit do fotogalerie

Témata

Související články:
Nedostatek sena pro koně inspiroval Josefa Jančáře k vytvoření chytré výživy pro rostliny
Nemůžete nic ztratit, jen získat. Říká o soutěži Brno Ph.D. Talent oceněná Katarína Šlosárová
Jak určit znečištění ovzduší pouhým okem kamery řeší odborníci z VUT
„Plasty tu budou stále, jen je třeba se k nim jinak chovat,“ říká profesorka Adriána Kovalčík, která se naučila čelit výzvám
Jak recyklovat tabákové náplně zjišťují vědci z FCH VUT